專利名稱：具有環(huán)境穩(wěn)定性的無熱變化光纖光柵器件以及實現(xiàn)器件穩(wěn)定性的方法
本申請要求享受1999年4月23日提交的美國臨時專利申請60/130,653的權益。
背景技術：
1.發(fā)明領域本發(fā)明總體涉及光波導器件，具體來說，涉及其中包括有負熱膨脹基底以實現(xiàn)光波導無熱變化的光波導器件。該基底由負熱膨脹材料制成，因而該基底隨溫度的升高而收縮，對光波導器光特性的熱變動進行補償。
2.技術背景本發(fā)明涉及一種經過溫度補償?shù)臒o熱變化光學器件，具體來說，涉及一種用于光纖反射性布拉格光柵光波導器件的具有穩(wěn)定負膨脹基底的環(huán)境穩(wěn)定器件以及實現(xiàn)光波導器件穩(wěn)定的方法。
UV光引起的折射率變化對于諸如濾波器和信道增/減器件這種復雜、窄帶光學部件的制造是有益的。這些器件可能是多波長電信系統(tǒng)的重要組成部分。常用光敏光纖器件是一種反射性光柵(布拉格光柵)，在一較窄波段上反射光。通常，這些器件具有按納米測定的信道間隔。
已知有種種光濾波器結構，這其中有的利用波長選擇性濾波的布拉格效應。美國專利U.S.Pat.No.4,725,110揭示一種濾波器構造方法，其中包含通過使光纖芯透過包層暴露于兩束方向為相對于光纖光軸呈兩個180°互補角的紫外線光束的干涉圖案，在光纖芯中印上至少一個周期性光柵的方法。這造成反射性光柵的取向與光纖光軸相正交。這種結合有光柵濾波器的光濾波器所反射光的波長，與該光柵的間隔有關，而該間隔隨光柵區(qū)所受應變即光柵區(qū)溫度按一明確關系變化，即基本與這些參數(shù)其中之一線性變化。
對一間隔為L的均勻光柵，光柵中有效折射率為n，膨脹率為a，中心反射波長Ir的變化由下式給出。
dIr/dT＝2L[dn/dT+na]石英光纖及鍺石英(germania-silica)光纖反射性光柵中，中心波長的變化由括號中第1項即折射率隨溫度的變化所支配。膨脹率項其貢獻小于總變量的10％。對峰值反射在1550nm的光柵來說，該比率dIr/dT通常為0.01nm/℃。
這些光柵使用中的一個實際困難是它們隨溫度變化。只要該光纖光柵所反射光的波長隨光柵區(qū)溫度變化，該基頻濾波器便無法用于所反射光的波長要與溫度無關的應用。需要可靠且穩(wěn)定實現(xiàn)光纖反射性光柵無熱變化的方法來滿足苛刻的要求，這通常是成長中的光電信應用對這種光柵的需求和要求。
實現(xiàn)光纖反射性光柵無熱變化的一種方法，要用一有源控制的熱穩(wěn)定系統(tǒng)對光柵環(huán)境進行熱控制。這種熱穩(wěn)定的實施和供電成本高，而且其復雜度導致對可靠性的關注。
第二種無熱變化實現(xiàn)方法是創(chuàng)建對dn/dT進行補償?shù)呢撆蛎?。已知采用具有不一樣的正熱膨脹的材料來實現(xiàn)所需負膨脹的器件。
美國專利U.S.Pat.No.5,042,898揭示一種經過溫度補償、嵌入的光柵，以及具有光纖光柵的光波導濾光器件。該光纖的每一端與所具有的這種熱膨脹系數(shù)彼此相關的材料制成的兩個補償部件其中不同的一個連接，并與光纖材料的那個連接以加到該光纖縱向應變上，其隨溫度變化的量按縱向應變的變化基本上對光柵溫度變化的上述貢獻進行補償?shù)姆绞阶兓?br> G.W.Yoffe等人在OFC’95《技術文摘》W14頁“經溫度補償?shù)墓饫w布拉格光柵”中揭示具有不一樣的熱膨脹的金屬機械配置，使得光纖安裝點間的距離隨溫度的升高而減小以減輕光柵的應變。
實現(xiàn)光波導器件無熱變化的另一方法將具有固有的負膨脹系數(shù)的材料所制造的基底用于與光纖光柵相連的基底。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個實施例是一用于光波導布置環(huán)境中具有環(huán)境穩(wěn)定性的無熱變化光纖光柵波導器件，其中包括一反射中心波長為λ光的光纖光柵，一具有環(huán)境穩(wěn)定性(經穩(wěn)定性處理)的、靠具有環(huán)境耐久性的鉛鋅硼玻璃料熔融密封在緊張狀態(tài)下使光纖光柵與基底連著的負熱膨脹β鋰霞石玻璃陶瓷基底，其中該基底對光纖光柵中的熱致波長偏移進行補償，波長λ的變化在暴露于潮濕環(huán)境時小于+/-0.015nm。
按照本發(fā)明實施例，用于光波導布置環(huán)境中具有環(huán)境穩(wěn)定性的無熱變化的光纖布拉格光柵波導光纖器件，包括一反射中心波長為λ光的光纖布拉格光柵，一經穩(wěn)定性處理的具有環(huán)境穩(wěn)定性的、在緊張狀態(tài)下使光纖光柵與基底連著的負熱膨脹并帶有微細裂紋的β鋰霞石玻璃陶瓷基底，其中該基底對光纖光柵中的熱致波長偏移進行補償，波長λ的變化在暴露于潮濕環(huán)境時小于+/-0.015nm。
按照本發(fā)明一實施例，包括一用于光波導布置環(huán)境中具有環(huán)境穩(wěn)定性的無熱變化光纖光柵波導器件的制造方法，包括下列步驟提供一作用于中心波長為λ光的光纖光柵，使負熱膨脹β鋰霞石玻璃陶瓷基底實現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定性，用鉛鋅硼酸鹽玻璃料熔融密封使光纖光柵與具有環(huán)境穩(wěn)定性的玻璃陶瓷基底相連，其中該基底對光纖光柵中的熱致波長偏移實現(xiàn)無熱變化，波長λ的變化在暴露于潮濕環(huán)境時小于+/-0.015nm。
本發(fā)明一實施例，還包括一用于光波導布置環(huán)境中具有環(huán)境穩(wěn)定性的無熱變化光纖光柵波導器件的制造方法。該方法包括下列步驟提供一作用于中心波長為λ光的光纖布拉格光柵，使負熱膨脹并帶有細微裂紋的β鋰霞石玻璃陶瓷基底實現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定性，使光纖光柵在緊張狀態(tài)下與具有環(huán)境穩(wěn)定性的玻璃陶瓷基底相連，其中該基底對光纖光柵中的熱致波長偏移進行補償，中心波長λ的變化在暴露于相對濕度至少為80％的潮濕環(huán)境時小于+/-0.010nm。
本發(fā)明一實施例，還包括一用于光波導布置環(huán)境中具有環(huán)境穩(wěn)定性的無熱變化光纖布拉格光柵波導器件的制造方法。該方法包括下列步驟提供一作用于中心波長為λ光的光纖布拉格光柵，提供一負熱膨脹β鋰霞石玻璃陶瓷基底，在410℃至低于430℃溫度范圍內用鉛鋅硼酸鹽玻璃料熔融密封使光纖光柵在緊張狀態(tài)下與玻璃陶瓷基底相連，其中該基底對光纖光柵中的熱致波長偏移進行補償，波長λ的變化在暴露于相對濕度至少為80％的潮濕環(huán)境時小于+/-0.010nm。
本發(fā)明的器件及方法在光波導布置環(huán)境所經歷的種種溫度下提供一種長期暴露于濕度環(huán)境情況下的高度尺度穩(wěn)定性。
本發(fā)明另外的特征和優(yōu)點，將在接下來的詳細說明當中給出，并從包括下面的詳細說明、權利要求以及附圖的說明書當中或從實踐在此所說明發(fā)明的認識當中部分容易為本領域技術人員所理解。
應理解，前面總體說明和下面詳細說明僅僅是示范本發(fā)明，并用于對所要求保護的發(fā)明其本質和特征提供用于理解的總覽或框架。所包括的附圖提供對本發(fā)明的進一步理解，并結合到該說明書中構成其中一部分。附圖示出本發(fā)明種種實施例，與說明書一起來解釋本發(fā)明的原理和運作。
附圖簡要說明

圖1是實現(xiàn)本發(fā)明的光波導器件的側視圖；圖2是實現(xiàn)本發(fā)明的光波導器件的局部剖開透視圖；圖3是實現(xiàn)本發(fā)明的裝置和方法的側面示意圖；以及圖4是對比玻璃料暴露耐久性的波長偏移(nm)(y軸)與時間(天數(shù))(x軸)之間關系的制圖。
圖5是對比玻璃料耐久性的波長偏移(nm)(y軸)與時間(天數(shù))(x軸)之間關系的制圖。
圖6是按照本發(fā)明包括VECTRA封裝容器的光纖布拉格光柵器件暴露于潮濕(Hum)或潮熱(D.H.)環(huán)境12周時波長變化(nm)(y軸)與時間天數(shù)(x軸)之間關系的制圖。
較佳實施例的詳細說明現(xiàn)詳細參照本發(fā)明較佳實施例，其實例示于附圖中。圖1中示出本發(fā)明具有環(huán)境穩(wěn)定性的無熱變化光纖光柵的示范性實施例，并且通篇總體用標號19標注。
按照本發(fā)明，用于光波導布置環(huán)境中具有環(huán)境穩(wěn)定性的無熱變化光纖布拉格光柵波導濾波器件，其中包括一作用于中心波長為λ光并使其反射的光纖布拉格光柵。如圖1所示，除了光纖布拉格光柵22，無熱變化的光纖布拉格光柵波導器件19還包括一經穩(wěn)定性處理的具有環(huán)境穩(wěn)定性的負熱膨脹β鋰霞石玻璃陶瓷基底20。光纖光柵22在緊張狀態(tài)下靠具有環(huán)境耐久性的鉛鋅硼玻璃料熔融密封24與基底20連著，其中該基底20對光纖光柵22中的熱致波長偏移進行補償，使得波長λ的變化在暴露于潮濕環(huán)境時小于+/-0.015nm。最好光纖光柵22在緊張狀態(tài)下用第一和第二鉛鋅硼玻璃料熔融密封24與基底20連著。另外還用緊固組件26來進一步緊固光纖22相對于基底20和玻璃料熔融密封24的移動，最好該緊固組件26為環(huán)氧密封。波導器件19組裝使得當器件及其周圍溫度升高時基底20收縮并釋放光纖光柵22上的緊張來補償光波導光纖光柵22溫度升高造成的光學變化和波長變動。較佳實施例中，波長λ的變化在器件19暴露于相對濕度大于80％的潮濕環(huán)境時小于+/-0.010nm。最佳實施例中，波長λ的變化在器件19暴露于相對濕度至少為85％、溫度至少為25℃的潮濕環(huán)境2000小時時小于+/-0.010nm。光波導器件19提供在其壽命跨度上以最小的波長λ變動用于反向的光波導布置環(huán)境中時得到提高的性能。
經穩(wěn)定性處理的具有環(huán)境穩(wěn)定性的負熱膨脹β鋰霞石玻璃陶瓷基底20，是一種帶有細微裂紋的玻璃陶瓷體，具有多個所引起的細微裂紋和經密封細微裂紋的裂縫尖端。具有所引起的細微裂紋和經密封的細微裂紋的裂縫尖端的玻璃陶瓷基底20最好是經過浸浴、潤濕并干燥的基底。經過浸浴、潤濕并干燥的基底20是一種在加上光纖光柵22之前被浸沒于包括水的液體浸浴中、接著暴露于潮濕處理氛圍、再暴露于干燥處理氛圍的基底。最好基底22是一帶有細微裂紋的玻璃陶瓷體，具有某一長度(尤其基底20與光纖光柵22對齊的長度)和多個裂紋，該裂紋具有穩(wěn)定的裂紋長度，其中該基底裂紋體的長度當暴露于光波導布置環(huán)境時是穩(wěn)定的。用這樣一種基底，該基底裂紋體的長度最好當暴露于光波導布置環(huán)境時其變化小于32ppm。最好該基底裂紋體具有多個以裂縫尖端為終端的細微裂紋，該裂縫尖端用從玻璃陶瓷基底體當中濾出的玻璃陶瓷組分的沉淀物密封并且基本填滿。利用這種經過密封和填滿的尖端，基底20最好在暴露于光波導布置環(huán)境及其濕度環(huán)境時所具有的尺度變化ΔD≤20ppm。
具有環(huán)境耐久性的玻璃料熔融密封24是填有諸如焦磷酸鹽研磨添加劑這種反相研磨添加劑的鉛鋅硼酸鹽玻璃料熔融密封。最好光纖光柵22用玻璃料結合溫度在405℃至440℃范圍內的玻璃料熔融密封24在緊張狀態(tài)下與基底20相連。熔融密封24所具有的玻璃料結合密封溫度較好在410℃至低于430℃范圍內，最好在420℃至低于430℃范圍內。這種鉛鋅硼酸鹽玻璃料熔融密封24最好形成一具有拉力強度至少為2lb、最好大于3lb的與光纖光柵22的結合。
如圖2所示，無熱變化的光纖布拉格光柵波導器件19包括一封裝容器28。為了便于示范圖2中的器件19，未設置容器28的頂蓋，而且正面一側壁面被剖開。光纖布拉格光柵22的折射率光柵由延伸至光纖及其芯的垂直線示出。光纖布拉格光柵22包含在容器28內，光纖光柵22的光纖末端21延伸通過容器28的端壁，從而可與光纖系統(tǒng)的光纖連接。一較佳實施例中，包含由基底20實現(xiàn)無熱變化的光纖光柵22的容器28是一非密閉封裝容器。較佳的非密閉封裝容器是VECTRA液晶聚合體容器。器件19的這種封裝是非密閉的，閉合容器28外面的濕氣(H2O分子)可能進入到容器28的內部，并與封裝中的光纖光柵22、基底20以及玻璃料熔融密封24等所容納物體相接觸。一替代實施例中，容器28為一密閉封裝容器，這樣光纖光柵、基底以及玻璃料密封便被密閉容納并密封在容器28內，H2O分子以及其他氣體便被禁止從外面進入容器。這樣一種密閉容器是一包金的KOVAR容器。參照PTC/US 98/20042(裝訂10)(10/10/97提交的美國臨時申請US Prov.60/061,688)，揭示了對容器28和這一容器內光纖光柵22、基底20和玻璃料熔融密封24的密封以及與該容器的隔離所進行的更為詳細的說明。
本發(fā)明包括一用于光波導布置環(huán)境中具有環(huán)境穩(wěn)定性的無熱變化光纖光柵波導器件的制造方法，包括下列步驟提供一作用于中心波長為λ光的光纖光柵，使負熱膨脹β鋰霞石玻璃陶瓷基底實現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定性，用具有環(huán)境耐久性的鉛鋅硼酸鹽玻璃料熔融密封使光纖光柵22與具有環(huán)境穩(wěn)定性的玻璃陶瓷基底20在緊張狀態(tài)下相連，其中基底20對光纖光柵22中的熱致波長偏移進行補償，波長λ的變化在暴露于潮濕環(huán)境時小于+/-0.015nm。
使基底20實現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定性，包括提供一尺度不穩(wěn)定的基底，將該基底浸沒在含水的液體浴中，接著使基底暴露于潮濕的處理氛圍，再使所暴露的基底干燥。使基底20實現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定性，包括提供一細微裂紋帶有長度和裂縫尖端的尺度不穩(wěn)定的帶細微裂紋基底，引起這些細微裂紋增加其長度，接著密封該細微裂紋的裂縫尖端。最好這種暴露和密封包括將基底暴露于具有相對濕度至少為80％的潮濕氛圍。一較佳實施例中，實現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定性，包括在去離子水中使所提供的基底煮沸至少3個小時，再在干燥氛圍(低濕度近乎為零的空氣)中以200℃干燥至少12小時，再使該基底暴露于潮熱氛圍(≥80℃/相對濕度≥80％)中至少5天，接下來在100℃干燥溫度下干燥至少12小時。實現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定性的替代實施例包括靠濕氣處理使裂縫尖端密封之前在低于50℃的溫度下用含水的液體浸浴引起該細微裂紋。參照同時于4/23/99提交的Webb等人的發(fā)明名稱為“使負熱膨脹光波導基底實現(xiàn)穩(wěn)定性的制造方法以及玻璃陶瓷基底(METHOD OF MAKING STABILIZED NEGATIVE THERMAL EXPANSIONOPTICAL WAVEGUIDE SUBSTRATE AND A GLASS-CERAMIC SUBSTRATE)”的美國臨時專利申請US Prov.60/130,896(代理人案卷號P14721)，對實現(xiàn)穩(wěn)定性和實現(xiàn)穩(wěn)定性的基底20進行了更為詳細的說明。
使光纖布拉格光柵22與基底20相連，包括在405℃至440℃這一范圍內的溫度對鉛鋅硼酸鹽玻璃料熔融密封24進行處理。最好這種對密封24的處理包括將玻璃料熔融密封加熱到410℃至低于430℃這一范圍內的溫度，較好是420℃至低于430℃，最好是約425℃。這種熱處理較好是導致所形成的玻璃料熔融密封和光纖光柵的結合具有的拉力強度大于2lb，最好是≥3lb。
該方法較好包括將相連的光纖光柵22、基底20以及玻璃料熔融密封24封閉在非密閉封裝容器28內，濕氣可從容器外面進入到所封閉的容器內。另一實施例中，該方法包括將相連的光纖光柵22、基底20以及玻璃料熔融密封24以密閉方式密封在密閉封裝容器28內。
本發(fā)明包括一用于光波導電信布置環(huán)境中具有環(huán)境穩(wěn)定性的無熱變化光纖布拉格光柵波導濾波器器件，其包括一反射中心波長為λ光的光纖布拉格光柵，以及一經過穩(wěn)定性處理具有環(huán)境穩(wěn)定性的負熱膨脹、帶細微裂紋的β鋰霞石玻璃陶瓷基底。光纖光柵22在緊張狀態(tài)下與基底20連著，其中基底20對光纖光柵22中的熱致波長偏移進行補償，波長λ的變化在暴露于潮濕環(huán)境時小于+/-0.04nm，較好是小于+/-0.03nm，希望小于+/-0.02nm，最好小于+/-0.015nm。一較佳實施例中，當暴露于相對濕度至少為80％的潮濕環(huán)境時波長λ的變化小于+/-0.010nm，最好在暴露于其溫度為25℃、相對濕度至少約為85％這種濕度環(huán)境2000小時的情況下小于+/-0.010nm。
具有環(huán)境穩(wěn)定性基板20較好引起以密封裂縫尖端為末端的細微裂紋。最好這種基底基底22相連前浸沒水浴(包含水的液體)，暴露于潮濕處理氛圍以及干燥處理氛圍。這種穩(wěn)定基底20是經過水浸沒、潮濕和干燥的基底。較好是，基底為一光纖光柵相連點間具有長度、帶多個細微裂紋的細微裂紋體，該基底主體尺度具有穩(wěn)定長度，并且暴露于光波導電信布置環(huán)境時基本上沒有穩(wěn)定性。較好是，暴露于布置環(huán)境時基底尺度的長度變化小于50ppm，希望小于40ppm，最好小于約32ppm。一較佳實施例中長度變化小于20ppm。
較好是，基底的細微裂紋以裂縫尖端為終端，該細微裂紋尖端基本由所述玻璃陶瓷基底主體當中濾出的玻璃陶瓷組分的經干燥薄膜沉淀物填滿?；?0較好在暴露于布置環(huán)境時尺度變化小于32ppm。較佳實施例中，器件所包括的非密閉封裝容器28包含與基底相連的光纖光柵。一替代實施例中，器件所包括的密閉封裝容器28其中具有基底20和光纖光柵22，使得封裝暴露于外部污染為最小。
本發(fā)明還包括一種具有環(huán)境穩(wěn)定性的無熱變化光纖光柵波導器件的制造方法，該方法包括下列步驟提供一反射中心波長為λ光的光纖布拉格光柵22，使負熱膨脹并帶有細微裂紋的β鋰霞石玻璃陶瓷基底20實現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定性。該方法還包括使光纖光柵22與具有環(huán)境穩(wěn)定性的玻璃陶瓷基底20相連，其中基底20對光纖光柵中的熱致波長偏移進行補償，波長λ的變化在暴露于相對濕度至少為80％的潮濕環(huán)境時小于+/-0.020nm，最好小于+/-0.010nm。使基底20實現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定性，包括下列步驟提供一尺度不穩(wěn)定的基底，在包含水的浸浴中浸沒所提供的基底，使浸沒過的基底暴露于潮濕處理氛圍，以及在相連前對暴露過的基底進行干燥。
使基底實現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定性，包括下列步驟提供一尺度不穩(wěn)定的帶細微裂紋的基底，其具有的多個細微裂紋具有長度和裂縫尖端。引起細微裂紋來增加其長度以便提供理想的熱膨脹目標系數(shù)，裂縫尖端通過預調節(jié)處理密封。這最好包括將先前浸沒的基底暴露于溫度至少為25℃、相對濕度至少為80％的潮濕氛圍足夠長時間再干燥。
較好是，該方法還包括將相連的光纖光柵22和基底20封閉在非密閉封裝容器28內。作為替代，該方法包括將相連的光纖光柵和基底以密閉方式密封在密閉封裝容器28內。
本發(fā)明較好包括下列步驟使與基底相連的光纖光柵暴露于其相對濕度至少約為85％、溫度約為25℃的潮濕環(huán)境至少2000小時，以及監(jiān)視所述波長λ。這種暴露和測試確保代表性器件19在極端布置環(huán)境中的可靠性。
本發(fā)明還包括一種用于光電信布置環(huán)境具有環(huán)境穩(wěn)定性的無熱變化光纖布拉格光柵波導器件的制造方法，該方法包括下列步驟提供一反射中心波長為λ光的光纖布拉格光柵，提供一負熱膨脹β鋰霞石玻璃陶瓷基底。該方法還包括在410℃至低于430℃溫度范圍內用鉛鋅硼酸鹽玻璃料熔融密封使光纖光柵22在緊張狀態(tài)下與基底20相連，其中基底20對所述光纖光柵中的熱致波長偏移進行補償，波長λ的變化在暴露于相對濕度至少為80％的潮濕環(huán)境時小于+/-0.010nm。較好是，使光纖光柵22與基底20相連，包括將鉛鋅硼酸鹽玻璃料熔融密封加熱至約425℃溫度，并且在422℃至428℃以內?；?0較好是一具有環(huán)境穩(wěn)定性基底。如圖3所示，用鉛鋅硼酸鹽玻璃料熔融密封24相連最好包括用激光束30經基底20加熱密封24。最好相連步驟包括用激光束30加熱和用紅外線(IR)熱電偶36來監(jiān)測受熱的玻璃料熔融密封24的溫度。如圖3所示，CO2激光器32產生波長10.6微米波長的激光束30。保持座30保持基底20下的透鏡系統(tǒng)以及基底20。除了從下面用高溫計以外，較好是用紅外線熱電偶(例如OMEGA牌溫度傳感器OS36-2不銹鋼殼自供電非接觸紅外線熱電偶)來監(jiān)測熔融密封24的溫度。這種監(jiān)測允許對熔融密封24的溫度進行精確控制和形成有益的玻璃料熔融密封。相連步驟較好包括對拉力強度在1至3lb范圍內的光纖柵板形成一玻璃料熔融密封。
該方法還包括將相連的光纖光柵22、基底20以及玻璃料熔融密封24封閉在非密閉封裝容器28內。作為替代，該方法以密閉方式密封在密閉封裝容器內。
實例將進一步由下列用于示范本發(fā)明的實例來澄清本發(fā)明。
這些實例示出的是暴露于潮熱和潮濕條件下2000小時具有低于0.01nm這種中心波長穩(wěn)定性的非密閉封裝無熱變化光纖布拉格光柵器件19的實施。這些光纖布拉格光柵器件用具有環(huán)境穩(wěn)定性的基底20和具有耐久性的玻璃料24來實現(xiàn)。除了浸沒于沸水中以外，基底20還暴露于85℃/85％相對濕度的潮熱當中，接著在100℃干燥一整夜。具有耐久性的鉛鋅硼酸鹽玻璃料熔融密封(PbO-ZnO-B2O3)(PZB)填有反相(Mg·Co)2P2O7。
β鋰霞石玻璃陶瓷樣本由48.7wt％SiO2，37.8wt％Al2O3，9.7wt％LiO2，3.8wt％TiO2以及8.5wt％Al2TiO5這種玻璃組分制成。按照97年1月16日(ATHERMAL OPTICALDEVICE)提交的美國專利申請連續(xù)號08/785,336所述由上述玻璃組分制成β鋰霞石樣本。該專利申請在此引用作為參照，就象按其本身完備性全面給出的那樣，用于更為詳細地說明非穩(wěn)定β鋰霞石玻璃陶瓷基底的制造。
從PZB類當中選擇鉛鋅硼酸鹽CRT密封玻璃料。采用具有74.7wt％PbO，12.9wt％ZnO，8.3wt％B2O3，1.9wt％BaO，2.2wt％SiO2這種基本玻璃組分的Corning公司的Corning商品碼7580PZB CRT密封玻璃料。這種玻璃料是一種具有環(huán)境耐久性的玻璃料，其中PZB基本玻璃料具有0.006的耐水性(90℃去離子水中24小時其重量的百分比變化量)。
玻璃料A.用5份(5個樣本)在385-460℃溫度范圍用具有PZB基本玻璃料相連的光纖光柵來給出如下玻璃料矩陣實驗結果。
處理溫度T℃* 385 410 435 460PZB樣本數(shù)量55 5 5*按圖3中裝置在玻璃料結合上方1mm處由IR熱電偶測定的玻璃料處理溫度相連步驟后，這些玻璃料結合經過一拉力測試來進行強度評估，選定玻璃料結合用于拉力測試后的SEM檢查。
根據(jù)這些評估，選擇拉力測試強度優(yōu)于2 lb且沒有光纖斷裂的最好玻璃料及其處理條件來制造全功能的VECTRA封裝器件。
對PZB耐久性玻璃料商品碼7580加的是反相焦磷酸鹽研磨添加劑，具體為
PZB商品碼7580+10wt％(Mg·Co)2P2O7+5wt％Co2P2O5。
下面表1示出作為圖3所示玻璃料處理期間IR熱電偶所測定結合溫度的函數(shù)的光纖拉力強度結果。
用PZB玻璃料，在410℃和435℃處理的結合其拉力強度均一致較高處于3.4-4.0lb范圍，其中1.5-2.0(1.75)lb被認為是由外部環(huán)氧結合所貢獻，反射率測定結果(50.0dB或以下)表明沒有光纖斷裂。但460℃的玻璃料處理溫度給出了相對較高但不夠穩(wěn)定的拉力強度，但-15至-20dB的反射率測定結果表明光纖斷裂，暗示460℃的玻璃料結合溫度可能太高。較佳的玻璃料處理溫度處于410℃至低于430℃范圍。當玻璃料結合在380℃或以下溫度制造時，該玻璃料未充分流動，在小于0.5lb的較低拉力強度下拉出光纖時沒有斷裂。根據(jù)這些結果，選定425℃的玻璃料結合溫度為最優(yōu)。下面表中經過計算的玻璃料拉力強度是通過從總數(shù)當中扣除1.75lb消除環(huán)氧結合強度貢獻來確定的。
表1 光纖拉力強度與玻璃料處理溫度間關系I.R./T.C總拉力反射輸入 (1524nm) 光纖斷裂 經計算玻璃料(T℃) 強度(ldb) (dB) 輸出(dB)強度(ldb)410 3.78 -66.97-67.17未斷裂 2.03435 3.96 -67.76-66.57未斷裂 2.21435 3.42 -65.72-65.54未斷裂 1.67460 2.48 -17.02-17.65未斷裂 0.73圖4示出耐久性玻璃料熔融密封和非耐久性玻璃料熔融密封之間的差異。PZB(鉛鋅硼酸鹽)耐久性玻璃料熔融進行完，與對比的錫鋅磷(SZP)玻璃料熔融密封相比具有耐久性。用這些玻璃料將光纖布拉格光柵與未處理不穩(wěn)定β鋰霞石基底相連，并在暴露于潮熱(85℃/85％相對濕度)期間監(jiān)測波長。具有耐久性的玻璃料較好是具有小于+/-0.010、最好小于或等于約+/-0.006的耐水性(90℃去離子水中24小時其重量的百分比變化量)而具有耐久性。相比較而言，不穩(wěn)定的SZP玻璃料具有約-0.030耐水性。圖4示出有助于減小波長偏移的耐久性玻璃料。
圖5示出具有耐久性的玻璃料的益處和暴露于幾乎與保濕器相比的潮熱中的不同結果。光纖布拉格光柵用具有耐久性的PZB與未經處理的不穩(wěn)定β鋰霞石相連。不穩(wěn)定基底造成中心波長λ較大尺度的變化。該玻璃料在減小其對中心波長的貢獻和保持光纖-玻璃料結合-基底的連接完整性方面具有耐久性。圖4和圖5示出相連的耐久性和耐環(huán)境性(耐水性)在實現(xiàn)較低λ變化方面起作用。
基底2×4×50mm基底用1300℃-16小時的陶瓷并通過熱循環(huán)兩次至800℃制成，在去離子水中煮沸4小時/以200℃干燥16小時，接著在潮熱(85℃/85％相對濕度)當中進行預調節(jié)處理1周并以100℃干燥16小時，接著用于環(huán)境穩(wěn)定性、耐久性測試。
光纖光柵所用的是使條狀高Δ光纖覆蓋有5mm、其偏差為20ps的長布拉格光柵，再以125℃退火24小時。
器件光纖光柵22在緊張狀態(tài)下以425℃的PZB-1熔融密封24與基底20相連。光柵、基底以及玻璃料連接均封裝在用下列材料的VECTRA容器·- MCA95UV將環(huán)氧(包含Polyset Company公司Siloxy PC-1000牌、UnionCarbide Chemical & Plastics Company公司ERL-4221、ERL-4206、Cyracure UVI-6974以及A-187 Silane牌、Shell Oil Company公司Epon Resin 828牌、CabotCorporation公司Cab-O-Sil610牌、Geltech Inc.公司Silaned GelTech 1.5micro牌、以及Corning公司N118？TCE牌和N118/SIK)用于對環(huán)氧緊固組件26的外部調劑結合。
·- 用于覆蓋光纖裸露(包覆層條狀)的組件26至26的器件(光纖光柵22)的2份6679Fluoro膠、2份處理電介質膠。
·- 395UV將環(huán)氧用于使光纖與靴固定來通過容器端部的通孔密封光纖，并使靴與容器端部緊固。
·-S2000Poron硅樹脂(Rogers Corporation公司)在基底底板和容器底部之間的泡沫板(2 1/2”×5/32”×1/32”)，具有緊固孔。
·- 3145硅樹脂(用于使基底與VECTRA封裝結合)(按先前引用的PTC/US98/20042(裝訂本10)(美國臨時申請US Prov.60/061,688)分別將2組各6個VECTRA封裝的器件暴露于保濕器(25℃/100％相對濕度)以及潮熱環(huán)境(DH；85℃/85％)。得到下列評估中心波長穩(wěn)定性將中心波長的變化(Δλc)作為長達12周(2000小時)的時間的函數(shù)來監(jiān)測。
圖6示出12個VECTRA封裝的器件19其作為潮濕環(huán)境暴露時間函數(shù)的中心波長變化(Δλc)，其中6個器件暴露于潮熱(DH)環(huán)境，6個器件暴露于保濕器(HUM)。由此可見，12個器件中的11個甚至在12周以后仍在+/-0.01nm以內，有一個器件在HUM當中小于-0.03nm這一例外。
由圖6可知，如暴露于不論DH環(huán)境還是HUM環(huán)境、甚至12周以后的Δλc穩(wěn)定性所示，潮熱環(huán)境中進行1周另外的預調節(jié)處理，在難以達到保濕的環(huán)境(25℃，100％濕度)下實現(xiàn)了基底尺度的穩(wěn)定性。
圖6示出暴露于潮熱(85℃/85％相對濕度)的潮濕環(huán)境下和保濕器(25℃/100％相對濕度)環(huán)境下的λ最小變化量。本發(fā)明靠具有穩(wěn)定性的β鋰霞石玻璃陶瓷基底和具有耐久性的鉛鋅硼酸鹽玻璃料實現(xiàn)高穩(wěn)定性。全部12個樣本器件所具有的波長λ變化量小于+/-0.030nm。這些器件還有的經過約2000小時時間所具有的波長λ變化量小于+/-0.020nm，小于+/-0.015nm，甚至小于+/-0.010nm。這清楚地表明光纖布拉格光柵其具有的環(huán)境穩(wěn)定性、非密閉封裝能力。
這一實驗表明，本發(fā)明所提供的有益的具有環(huán)境健壯的波長穩(wěn)定性，在暴露于包括高濕度環(huán)境的極端布置環(huán)境時其波長變化小于+/-0.020nm，小于+/-0.015nm，甚至小于或等于+/-0.010nm。
顯然，本領域技術人員很清楚，可在不脫離本發(fā)明保護范圍的情況下對本發(fā)明作種種修改和變動。本發(fā)明打算涵蓋所提供的對本發(fā)明的種種修改和變動，使之均落在所附權利要求及其等同物的保護范圍內。
權利要求
1.一種用于光波導布置環(huán)境中具有環(huán)境穩(wěn)定性的無熱變化光纖光柵波導器件，其特征在于，所述器件包括一反射中心波長為λ光的光纖光柵，一經過穩(wěn)定性處理具有環(huán)境穩(wěn)定性的負熱膨脹β鋰霞石玻璃陶瓷基底，所述光纖光柵靠具有環(huán)境耐久性的玻璃料熔融密封在緊張狀態(tài)下與基底連著，其中該基底對所述光纖光柵中的熱致波長偏移進行補償，所述波長λ的變化在暴露于潮濕環(huán)境時小于+/-0.015nm。
2.如權利要求1所述的器件，其特征在于，所述具有環(huán)境耐久性的玻璃料熔融密封是鉛鋅硼酸鹽玻璃料熔融密封。
3.如權利要求1所述的器件，其特征在于，所述波長λ的變化在暴露于濕氣時小于+/-0.030nm。
4.如權利要求1或26所述的器件，其特征在于，所述基底還包括多個包括經過密封的裂縫尖端在內的所引起的細微裂紋。
5.如權利要求4所述的器件，其特征在于，所述基底是一經過浸浴潤濕干燥等預先調節(jié)的基底。
6.如權利要求1所述的器件，其特征在于，所述基底是一具有某一長度和多個細微裂紋的細微裂紋體，所述細微裂紋具有穩(wěn)定的裂紋長度，其中所述基底的細微裂紋體的所述長度當暴露于光波導布置環(huán)境時具有尺度穩(wěn)定性。
7.如權利要求6所述的器件，其特征在于，所述基底細微裂紋體當暴露于光波導布置環(huán)境時其長度變化小于50ppm。
8.如權利要求7所述的器件，其特征在于，所述長度變化小于32ppm。
9.如權利要求1所述的器件，其特征在于，所述基底是一所具有的多個細微裂紋以裂縫尖端為終端的細微裂紋體，所述細微裂紋尖端基本由濾出的玻璃陶瓷組分填滿。
10.如權利要求9所述的器件，其特征在于，所述基底主體當暴露于光波導布置環(huán)境時其尺度變化小于或等于20ppm。
11.如權利要求2所述的器件，其特征在于，所述鉛鋅硼酸鹽玻璃料熔融密封填有反相研磨添加劑。
12.如權利要求2所述的器件，其特征在于，所述鉛鋅硼酸鹽玻璃料熔融密封填有焦磷酸鹽研磨添加劑。
13.如權利要求2所述的器件，其特征在于，光纖光柵靠玻璃料結合溫度在405℃至440℃范圍內的所述玻璃料熔融密封在緊張狀態(tài)下與所述基底相連。
14.如權利要求2所述的器件，其特征在于，所述玻璃料熔融密封形成一具有拉力強度大于1lb的與所述光纖光柵的結合。
15.如權利要求2所述的器件，其特征在于，所述玻璃料熔融密封形成一具有拉力強度在1-3lb范圍的與所述光纖光柵的結合。
16.如權利要求1所述的器件，其特征在于，所述器件還包括一非密閉封裝容器，與所述基底相連的所述光纖光柵包含在所述非密閉封裝容器內。
17.如權利要求1所述的器件，其特征在于，所述器件還包括一密閉封裝容器，與所述基底相連的所述光纖光柵包含在所述密閉封裝容器內。
18.一種用于光波導布置環(huán)境中具有環(huán)境穩(wěn)定性的無熱變化光纖光柵波導器件的制造方法，其特征在于，包括下列步驟提供一作用于中心波長為λ光的光纖光柵，使負熱膨脹β鋰霞石玻璃陶瓷基底實現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定性，用具有環(huán)境耐久性的鉛鋅硼酸鹽玻璃料熔融密封使所述光纖光柵在緊張狀態(tài)下與所述具有環(huán)境穩(wěn)定性的玻璃陶瓷基底相連，其中所述基底對所述光纖光柵中的熱致波長偏移進行補償，波長λ的變化在暴露于潮濕環(huán)境時小于+/-0.020nm。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，使所述基底實現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定性，包括下列步驟提供一尺度不穩(wěn)定的基底，在包含水的浸浴中浸沒所提供的基底，使所述浸沒過的基底暴露于潮濕處理氛圍，以及對所述暴露過的基底進行干燥。
20.如權利要求18所述的方法，其特征在于，使所述基底實現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定性，包括下列步驟提供一尺度不穩(wěn)定的帶細微裂紋的基底，其具有的多個細微裂紋具有長度和裂縫尖端；引起所述細微裂紋以便增加所述細微裂紋的長度；以及使所述細微裂紋的裂縫尖端密封。
21.如權利要求19所述的方法，其特征在于，使所述浸沒過的基底暴露于潮濕處理氛圍，包括下列步驟使所述基底暴露于相對濕度至少為80％的潮濕氛圍。
22.如權利要求18所述的方法，其特征在于，用鉛鋅硼酸鹽玻璃料熔融密封使所述光纖光柵與所述基底相連，包括下列步驟在405℃至440℃溫度范圍下處理所述玻璃料熔融密封。
23.如權利要求22所述的方法，其特征在于，相連還包括下列步驟形成一具有拉力強度在1-3lb范圍的玻璃料熔融密封與光纖光柵的結合。
24.如權利要求18或39所述的方法，其特征在于，還包括將所述相連的光纖光柵和所述基底以及所述玻璃料熔融密封封閉在非密閉封裝容器內。
25.如權利要求18或39所述的方法，其特征在于，還包括將所述相連的光纖光柵和所述基底以及所述玻璃料熔融密封以密閉方式密封在密閉封裝容器內。
26.一種用于光波導布置環(huán)境中具有環(huán)境穩(wěn)定性的無熱變化光纖布拉格光柵波導濾波器器件，其特征在于，所述器件包括一反射中心波長為λ光的光纖布拉格光柵，一經過穩(wěn)定性處理具有環(huán)境穩(wěn)定性的負熱膨脹、帶細微裂紋的β鋰霞石玻璃陶瓷基底，所述光纖光柵在緊張狀態(tài)下與基底連著，其中該基底對所述光纖光柵中的熱致波長偏移進行補償，所述波長λ的變化在暴露于潮濕環(huán)境時小于+/-0.015nm。
27.如權利要求1或26所述的器件，其特征在于，所述波長λ的變化小于+/-0.010nm，所述潮濕環(huán)境具有相對濕度至少為約80％。
28.如權利要求1或26所述的器件，其特征在于，所述波長λ的變化在暴露于所述濕度環(huán)境2000小時的情況下小于+/-0.010nm，所述潮濕環(huán)境其相對濕度至少約為85％，溫度約為25℃。
29.如權利要求26所述的器件，其特征在于，所述光柵與所述基底相連前，所述基底浸沒在水浴中，并暴露于潮濕處理氛圍。
30.如權利要求26所述的器件，其特征在于，所述基底是一具有某一長度和多個細微裂紋的細微裂紋體，所述細微裂紋具有穩(wěn)定的裂紋長度，其中所述基底的細微裂紋體的所述長度當暴露于光波導布置環(huán)境時具有穩(wěn)定性。
31.如權利要求30所述的器件，其特征在于，所述基底細微裂紋體當暴露于光波導布置環(huán)境時其長度變化小于32ppm。
32.如權利要求26所述的器件，其特征在于，所述基底是一所具有的多個細微裂紋以裂縫尖端為終端的細微裂紋體，所述細微裂紋尖端基本由所述玻璃陶瓷基底主體當中濾出的玻璃陶瓷組分的沉淀物填滿。
33.一種用于光波導布置環(huán)境中具有環(huán)境穩(wěn)定性的無熱變化光纖光柵波導器件的制造方法，其特征在于，所述方法包括下列步驟提供一作用于中心波長為λ光的光纖布拉格光柵，使負熱膨脹并帶有細微裂紋的β鋰霞石玻璃陶瓷基底實現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定性，使所述光纖光柵在緊張狀態(tài)下與所述具有環(huán)境穩(wěn)定性的玻璃陶瓷基底相連，其中所述基底對所述光纖光柵中的熱致波長偏移進行補償，所述波長λ的變化在暴露于相對濕度至少為80％的潮濕環(huán)境時小于+/-0.010nm。
34.如權利要求33所述的方法，其特征在于，使所述基底實現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定性，包括下列步驟提供一尺度不穩(wěn)定的基底，在包含水的浸浴中浸沒所提供的基底，使所述浸沒過的基底暴露于潮濕處理氛圍，以及在相連前對所述暴露過的基底進行干燥。
35.如權利要求33所述的方法，其特征在于，使所述基底實現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定性，包括下列步驟提供一尺度不穩(wěn)定的帶細微裂紋的基底，其具有的多個細微裂紋具有長度和裂縫尖端；引起所述細微裂紋以便增加所述細微裂紋的長度；以及使所述細微裂紋的裂縫尖端密封。
36.如權利要求33所述的方法，其特征在于，還包括將所述相連的光纖光柵和所述基底封閉在非密閉封裝容器內。
37.如權利要求33所述的方法，其特征在于，還包括將所述相連的光纖光柵和所述基底以密閉方式密封在密閉封裝容器內。
38.如權利要求33所述的方法，其特征在于，還包括下列步驟使與所述基底相連的所述光纖光柵暴露于其相對濕度至少約為90％、溫度約為25℃的潮濕環(huán)境至少2000小時，以及監(jiān)視所述波長λ。
39.一種用于光波導布置環(huán)境中具有環(huán)境穩(wěn)定性的無熱變化光纖布拉格光柵波導器件的制造方法，其特征在于，所述方法包括下列步驟提供一作用于中心波長為λ光的光纖布拉格光柵，提供一負熱膨脹β鋰霞石玻璃陶瓷基底，在410℃至低于430℃溫度范圍內用鉛鋅硼酸鹽玻璃料熔融密封使所述光纖光柵在緊張狀態(tài)下與所述玻璃陶瓷基底相連，其中所述基底對所述光纖光柵中的熱致波長偏移進行補償，所述波長λ的變化在暴露于相對濕度至少為80％的潮濕環(huán)境時小于+/-0.010nm。
40.如權利要求39所述的方法，其特征在于，用鉛鋅硼酸鹽玻璃料熔融密封使所述光纖光柵與所述基底相連，包括下列步驟將所述玻璃料熔融密封加熱至約425℃溫度。
41.如權利要求39所述的方法，其特征在于，相連包括用激光束加熱。
全文摘要
本發(fā)明包括一具有環(huán)境穩(wěn)定性的無熱變化光纖光柵以及制造這種穩(wěn)定的光波導光纖光柵的方法。通過使負熱膨脹基底(20)實現(xiàn)穩(wěn)定性并利用具有耐久性的玻璃料(24)使光纖布拉格光柵與基底相連來提供穩(wěn)定的耐濕、無熱變化的光纖布拉格光柵(19)。
文檔編號G02B6/34GK1363050SQ00806604
公開日2002年8月7日 申請日期2000年3月23日 優(yōu)先權日1999年4月23日
發(fā)明者G·H·貝阿爾, J·P·卡伯里, K·查恩, J·E·皮爾遜, K·P·雷迪 申請人:康寧股份有限公司